新工科背景下跨學(xué)科創(chuàng)新教育模式探索與實踐

溫泉河，黃文愷，吳羽，伍馮潔

（1.廣州大學(xué)實驗中心，廣州510006；2.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣州510006）

1 新工科的提出與內(nèi)涵

2015 年李克強總理在政府工作報告提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”、“中國制造2025”，掀起了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的熱潮。信息技術(shù)，特別是AI 技術(shù)的快速發(fā)展迅速推動著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，我們已經(jīng)步入人工智能與“互聯(lián)網(wǎng)+”的“工業(yè)4.0”時代。過去勞動密集型的制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級，為了服務(wù)科技與經(jīng)濟的發(fā)展，培養(yǎng)新時期創(chuàng)新人才，高等教育需要做出相應(yīng)的改革與創(chuàng)新。

隨著2016 年新工科概念的提出，先后形成了“復(fù)旦共識”、“天大行動”、“北京指南”等指導(dǎo)性文件[1]。有學(xué)者指出，新工科代表的是最新的產(chǎn)業(yè)或行業(yè)發(fā)展方向，指的是正在形成的或?qū)⒁纬傻男碌墓こ虒W(xué)科，在新工科建設(shè)時要注重一批具有跨行業(yè)界限、跨學(xué)科界限的跨界特征的新學(xué)科[2]。新工科具有“跨學(xué)科”的特點。鐘登華院士指出，新工科的內(nèi)涵是，以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[3]。新工科包含交叉與融合。李華教授等認為，簡而言之，“新工科”是指新的工科形態(tài)，即對工科注入新的內(nèi)涵以適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展需要而產(chǎn)生的工科新形態(tài)，可表述為“工科+”，即工科+新理念、工科+新專業(yè)、工科+新結(jié)構(gòu)、工科+新模式、工科[4]。

新工科是在原有工科、原有專業(yè)的基礎(chǔ)上，注入新的元素以適應(yīng)經(jīng)濟社會的發(fā)展，適應(yīng)人力資源需求培養(yǎng)新人才?？偨Y(jié)起來，新工科有“跨學(xué)科”、“共享”、“融合”、“創(chuàng)新”等特點。以新內(nèi)涵、新模式揉合原有工科，是新工科實施的一個理念。新興產(chǎn)業(yè)需要的是基礎(chǔ)理論扎實、實踐能力強、具備創(chuàng)新意識的復(fù)合型人才，新工科同時注重動手能力和創(chuàng)新能力。

2 大學(xué)生新工科背景下跨學(xué)科創(chuàng)新教育模式探索

長期以來，大學(xué)生實踐偏少，動手不足，缺乏實際經(jīng)驗。表現(xiàn)在幾個方面：

（1）查閱文獻不足。很多大學(xué)有開設(shè)文獻檢索課，但是課程結(jié)束之后，能主動再查閱文獻的學(xué)生比較少。針對某一個研究方向進行相關(guān)的檢索總結(jié)就更少了。

（2）寫作水平有待提高。查看學(xué)生寫的創(chuàng)新訓(xùn)練、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的申報書，普遍存在是口語化嚴重、錯別字的問題，甚至比不上當(dāng)年的高考作文。原因是多方面的，一方面是動手寫作的機會少了，離學(xué)術(shù)論文的要求還有一定距離。最近討論的大學(xué)生開設(shè)大學(xué)語文課程，也是有原因的。如果能夠針對不同專業(yè)開設(shè)，相信效果會更好。另一方面的原因是閱讀文獻的不足。

（3）表達能力欠缺。大學(xué)除了師范生，其他專業(yè)的學(xué)生甚少有語言表達的訓(xùn)練。而創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新訓(xùn)練項目、挑戰(zhàn)杯等項目往往需要路演、答辯，這時表達能力欠缺就凸顯出來。而表達能力的提高需要長期的訓(xùn)練積累。

（4）缺乏項目開發(fā)經(jīng)驗。例如計算機專業(yè)的學(xué)生，大一已經(jīng)學(xué)過程序設(shè)計語言，到大二已經(jīng)可以進行實際開發(fā)實踐，大多缺乏的是感興趣的項目。對理工科學(xué)生來說，除了學(xué)業(yè)成績，項目開發(fā)經(jīng)驗是招聘單位看重的另一個方面，也是學(xué)生能力的集中表現(xiàn)。

新工科背景下，提高學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，需要一套行之有效的機制。我們從學(xué)生感興趣的課題出發(fā)，以項目開發(fā)為主線，進行跨學(xué)科的項目開發(fā)實踐嘗試。

（1）開展目的

通過項目實踐激發(fā)大學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力，提升大學(xué)生就業(yè)競爭力，以及為將來進一步深造打好基礎(chǔ)。

（2）項目選題

項目來源有多種，如教師的科研項目、某些領(lǐng)域的研究熱點、發(fā)明專利，等等。就目前我們開展的項目來看，基本是軟件和硬件結(jié)合的項目。項目開發(fā)的目標(biāo)是參加各種競賽及形成科研成果，如發(fā)表學(xué)術(shù)論文、申請專利。

（3）組織方式

通過宣講會、參觀活動組織學(xué)生預(yù)報名，通過面試、考核進行篩選，然后學(xué)生根據(jù)導(dǎo)師公布的選題，以項目為單位組成小組。以機械類、電氣類、計算機和應(yīng)用數(shù)學(xué)類專業(yè)為組合。人數(shù)多為4 至6 人。

3 以項目開發(fā)為主線的跨學(xué)科創(chuàng)新教育模式實踐

新工科的其中一個特點是“加入新元素”，就項目開發(fā)而言，很多項目涉及當(dāng)前的研究熱點和前沿課題，大學(xué)二年級的學(xué)生并不具備這方面的知識。例如我們的無人車項目，需要使用圖像處理技術(shù)。而大部分學(xué)生并沒有開設(shè)這類課程，或者這類課程設(shè)置在高年級。因此我們首先進行了相關(guān)課程的補充。通過基礎(chǔ)

課程的補充再進行項目開發(fā)實踐，分為四個階段。（1）基礎(chǔ)知識補充階段

根據(jù)研究方向的不同，補充進行項目開發(fā)的必要知識。導(dǎo)師團隊根據(jù)當(dāng)年主題，面對不同專業(yè)的學(xué)生設(shè)立幾類課程，利用暑假或寒假集中教學(xué)，或者布置學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)課程進行自學(xué)。我們曾經(jīng)開設(shè)的課程有元件焊接基礎(chǔ)、Arduino、STM32、C++與面向?qū)ο箝_發(fā)、OpenCV、Python 等。課程結(jié)束會安排一個作業(yè)作為考核。通過課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生快速進入可以動手開發(fā)的狀態(tài)。另外，部分學(xué)生還會自學(xué)其它的軟件，例如學(xué)習(xí)ANSYS 用于仿真，學(xué)習(xí)ROS 系統(tǒng)用于機器人架構(gòu)，等等。

例如我們開發(fā)的“洗車機器人”項目，需要使用圖像處理、機器學(xué)習(xí)以及仿真等技術(shù)，還融合了超聲波、激光雷達等各種傳感器。首先需要對整個項目技術(shù)路線的整理，以及了解并掌握必要的知識。對有程序設(shè)計基礎(chǔ)的同學(xué)，布置OpenCV 課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。由導(dǎo)師提供課程資料以及答疑。導(dǎo)師通過查看課程作業(yè)檢查學(xué)習(xí)情況。經(jīng)過6 到8 周的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了一定的基礎(chǔ)知識，能夠嘗試運用圖像處理解決相關(guān)問題。而水平隨著項目開發(fā)的進行將不斷提高。

（2）項目開發(fā)階段

通過補充必要的基礎(chǔ)知識之后，開始進入分組項目開發(fā)階段。導(dǎo)師先根據(jù)選題，布置學(xué)生進行文獻檢索。讓學(xué)生充分了解項目的研究背景以及當(dāng)前研究的進展。文獻檢索要求學(xué)生查閱一定數(shù)量的文獻，整理要點，提交相關(guān)文檔。這樣一來，學(xué)生增加了閱讀量，同時提高寫作水平和表達能力，為后面階段撰寫論文和專利打下基礎(chǔ)。

進入項目開發(fā)階段是按照項目開發(fā)流程進行的。即要經(jīng)過需求分析、總體設(shè)計、詳細設(shè)計等階段。這個階段最重要的是定期的開會討論和檢查進度。檢查的方式是每周舉行例會，項目組成員將有關(guān)內(nèi)容整理成文檔要點，輪流向其他人分享。項目開發(fā)的周期較長，也不同于單個科目的課程學(xué)習(xí)，導(dǎo)師除了檢查進度，在學(xué)生遇到困難時需要引導(dǎo)他們解決問題。這個階段要避免學(xué)生的畏難心理。通過組員間相互討論，和在導(dǎo)師的指導(dǎo)下解決難題，學(xué)生的研究得以進一步深入，從而逐步提高。項目也能夠按計劃持續(xù)開發(fā)下去，直到完成。

這個階段開展的順利與否有兩個關(guān)鍵因素。一個是導(dǎo)師的作用。導(dǎo)師除了熟悉項目掌握進度，遇到難題指明方向之外，堅持定期開展項目討論少不了。通過項目討論交流，還便于掌握組員的參與情況。第二，組員的考核方式。項目組內(nèi)有不同的分工，如何有效對每個組員進行管理，我們采用文檔提交及分享的方式。不同階段提交相關(guān)文檔，并在組內(nèi)分享討論。提交文檔的另一個好處是項目資料得以保存，當(dāng)組員發(fā)生變化時能根據(jù)文檔快速了解項目進展。

（3）總結(jié)轉(zhuǎn)化階段

學(xué)生通過前期課程補充學(xué)習(xí)、檢索文獻、整理開發(fā)文檔，項目開發(fā)進行過程中材料就得到了積累。項目開發(fā)完成，接著申報各種創(chuàng)新訓(xùn)練、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目及參加比賽和發(fā)表科研論文、撰寫專利。項目開發(fā)的積累轉(zhuǎn)化成了一系列的成果，水到渠成。目前已經(jīng)完成課題幾十項，在研課題十多項，學(xué)生獲省級以上獎勵達幾十項，通過課題申請專利二十多件。

4 結(jié)語

大學(xué)生進行項目開發(fā)實踐，先通過一系列課程的補充，基礎(chǔ)知識得到進一步梳理和重新構(gòu)建；通過項目實踐解決問題，實踐能力得到提高；撰寫論文和專利，得到最終的成果。實踐證明，以項目開發(fā)為主線的跨學(xué)科培養(yǎng)模式，有利于建立跨學(xué)科的學(xué)生科研團隊，有利于學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。